DE1648287B2 - SYSTEM FOR RADIOMETRIC MEASUREMENT OF THE TEMPERATURE OF THE AIR IN THE ATMOSPHERE - Google Patents
SYSTEM FOR RADIOMETRIC MEASUREMENT OF THE TEMPERATURE OF THE AIR IN THE ATMOSPHEREInfo
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- DE1648287B2 DE1648287B2 DE1967S0107742 DES0107742A DE1648287B2 DE 1648287 B2 DE1648287 B2 DE 1648287B2 DE 1967S0107742 DE1967S0107742 DE 1967S0107742 DE S0107742 A DES0107742 A DE S0107742A DE 1648287 B2 DE1648287 B2 DE 1648287B2
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Description
Die Erfindung betrifft ein System zur Messung der mittleren Temperatur eines eine im wesentlichen gleichmäßige Verteilung von Sauerstoffmolekülen aufweisenden Luftvolumens der Atmosphäre von bekanntem Querschnitt und bekannter Länge.The invention relates to a system for measuring the mean temperature of an essentially uniform distribution of air volume containing oxygen molecules in the atmosphere of known Cross-section and known length.
Bei den bekannten Verfahren zur Messung der atmosphärischen Temperatur werden Fühlvorrichtungen verwendet, die unmittelbar in den Bereich der Atmosphäre, dessen Temperatur gemessen werden soli, eingeführt werden. Die Temperaturfühler werden in diesen gewünschten Bereich beispielsweise mit Hilfe von mit Instrumenten versehenen Tüimen, mittels Freiodei Fesselballonen oder Flugzeugen eingeführt. Diese bekannten Verfahren der direkten Messung haben somit die Nachteile, daß hierbei körperliche Schranken bzw. Hindernisse in den zu untersuchenden Bereich der Atmosphäre eingebracht werden müssen, daß hierbei die zu untersuchenden Umgebungsbedingungen gestört werden und daß mit diesen Verfahren nur die Temperatur der Luft, welche mit dem jeweiligen Fühler in Berührung ist bzw. ihn unmittelbar umgibt, gemessen werden kann. Es sind auch Anordnungen zur indirekten Messung, beispielsweise Infrarot-Fühler, zur Bestimmung der Temperatur von strahlenden Körpern, und auch von Luft, vorgeschlagen worden; diese Verfahren sind jedoch in ihrer Anwendung auf günstige Wetterbedingungen beschränkt Außerdem wird das Signalspektrum, in welchem derartige Infrarot-Fühler arbeiten, durch Signale von Strahlungsquellen beeinflußt, welche in keiner zuverlässigen Beziehung zur Lufttemperatur stehen.In the known methods for measuring the atmospheric temperature, sensing devices used, which are directly in the area of the atmosphere, the temperature of which is to be measured, to be introduced. The temperature sensors are in this desired area, for example with the help of instruments provided with instruments, by means of Freiodei Captive balloons or airplanes introduced. These are known methods of direct measurement thus the disadvantages that this physical barriers or obstacles in the area to be examined Atmosphere must be introduced that this disrupts the environmental conditions to be investigated and that with this method only the temperature of the air, which with the respective sensor is in contact or immediately surrounds it, can be measured. There are also arrangements for indirect Measurement, for example infrared sensors, to determine the temperature of radiating bodies, and also of air, has been suggested; however, these methods are applicable to favorable weather conditions In addition, the signal spectrum in which such infrared sensors work is limited. influenced by signals from radiation sources which have no reliable relation to air temperature stand.
Durch die vorliegende Erfindung soll demgegenüber ein System geschaffen werden, das die indirekte Messung der Temperaturstruktur innerhalb eines vorgegebenen Luftvolumens von einer entfernten Stelle aus gestattet; im besonderen soll das System die Messung des gewogenen Mittelwerts der Temperatur eines vorgegebenen, kontrollierbaren Luftvolumens auf indirekte Weise im Wege der Fernmessung gestatten.By contrast, the present invention is intended to create a system that the indirect Measurement of the temperature structure within a given volume of air from a remote location fitted; in particular, the system is intended to measure the weighted average temperature allow a predetermined, controllable volume of air in an indirect manner by means of remote measurement.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein System der eingangs genannten Art, das gekennzeichnet ist durch ein abstimmbares Radiometer mit einer Richtempfangsantenne von bekanntem Bündelungsquerschnitt entsprechend dem Querschnitt des zu vermessenden Luftvolumens, wobei das Radiometer auf eine Frequenz der von den Sauerstoffmolekülen emittierten Strahlung abgestimmt ist und wobei das Radiometer ein den Leistungspegel der Empfangssignale wiedergebendes Ausgangssignal erzeugt, durch auf die jeweilige Abstimmung des Radiometers ansprechende Vorrichtungen zur Erzeugung eines einen Korrekturfaktor darstellenden Multiplikationssignals, mit welchem das Ausgangssignal des Radiometers multipliziert werden muß, um der jeweiligen Antennenbündelbreite und derThis object is achieved by a system of the type mentioned at the beginning, which is characterized by a tunable radiometer with a directional receiving antenna of known bundling cross-section accordingly the cross-section of the volume of air to be measured, with the radiometer on a frequency the radiation emitted by the oxygen molecules is matched and the radiometer a Output signal reproducing the power level of the received signals is generated by on the respective Tuning the radiometer responsive devices to generate a correction factor representing multiplication signal with which the output signal of the radiometer are multiplied must to the respective antenna bundle width and the
ι RadiometerempHndlichkeit für die betreffenprequenz Rechnung zu tragen, durch auf die . Abstimmung des Radiometers ansprechende ^__^ zur Erzeugung eines Eindringtiefesi-"^elches die vorgegebene Länge bzw. Tiefe des zu * den Luftvolumens bei der betreffenden wiedergibt, sowie durch Vorrichtungen, ι das Ausgangssignal des Radiometers und das Multiplikationssignal zur Bildung eines ^duktsignals zugeführt wird, entsprechend dem odukt aus dem Leistungspegel des Radiometerein-Lgssignals und dem erwähnten Korrekturfaktor, das nijttlere Temperatur des zu prüfenden Laftvolumensι Radiometer sensitivity for the affected frequency To be taken into account by on the. Vote the radiometer responsive ^ __ ^ to create a penetration depth i - "^ elches the specified length or depth of the air volume to be * the air volume in question reproduces, as well as by devices, ι the output signal of the radiometer and the Multiplication signal is supplied to form a ^ duct signal, corresponding to the oduct of the power level of the radiometer input signal and the mentioned correction factor, the lower temperature of the air volume to be tested
2020th
f Pas hier beschriebene Temperaturmeßsystem macht " !brauch von dem Umstand, daß Sauerstoffmoleküle jj,jilBmeter-Frequenzband in die Frequenzschwerloe von 60 GHz und 120 GHz Signale aussenden. Sauerstoffmoleküle sind in der Atmosphäre im gleichförmig verteilt und emittierenf Pas makes the temperature measuring system described here "! need of the fact that oxygen molecules are jj, jilBmeter frequency band in the frequency range send out signals of 60 GHz and 120 GHz. Oxygen molecules are in the atmosphere in the uniformly distributed and emit
mit Leistungspegeln, die proportional ihrerwith power levels proportional to their
jeweiligen Temperatur sind. Gemäß dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung wird der Mittelwert der Temperaturbeiträge sämtlicher Strahlung emittierenden Sauerstoffmoleküle innerhalb eines konischen Luftvolumens von im wesentlichen festem Scheitelwinkel jedoch veränderlicher Länge (bzw. Tiefe), vom Ort des Radiometers aus gemessen, bestimmt. Die Länge fczw. Tiefe des Luftvolumens ist in Abhängigkeit von der Frequenz, auf welche das Radiometer abgestimmt ist, kontrollierbar, und zwar beruhend auf der Grundl?ge, daß die Entfernung, welche von Sauerstoffmolekülen ausgehende Strahlung in der Atmosphäre zurücklegen kann, eine bekannte Funktion des Absorptionskoeffieffektiven Durchdringungstiele der von Sauerstoffmolekülen emittierten Empfangsstrahlung, in Abhängigkeit vom atmosphärischen Absorptionskoeffizienten,respective temperature. According to the basic idea of the present invention, the mean value becomes the Temperature contributions of all radiation-emitting oxygen molecules within a conical Volume of air of essentially fixed vertex angle but variable length (or depth), from the location of the radiometer measured, determined. The length fczw. Depth of the air volume is dependent on the Frequency to which the radiometer is tuned, controllable, based on the basis, that the distance traveled by radiation from oxygen molecules in the atmosphere can, a known function of the absorption coefficient effective penetration stalks of that of oxygen molecules emitted received radiation, depending on the atmospheric absorption coefficient,
Fig.3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Apparatur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.3 shows a simplified block diagram of an apparatus according to a preferred embodiment of the invention.
In F i g. 1 geben die Kurven 1 bzw. 2 jeweils die Werte des atmosphärischen Absorptionskoeffizienten für zwei representative Höhen (im gezeigten Beispiel für jo Seehöhe und eine Höhe von 8 km) für üie verschiedenen Frequenzkomponenten der von den Sauerstoffmolekülen emittierten Strahlung wieder. Wie ersichtlich, besteht für jede bekannte Frequenzkomponente in einer gegebenen Höhe ein bestimmter Wert des atmosphärischen Absorptionskoeffizienten. Beispielsweise besteht auf Meereshöhe für die Sauerstoffmolekülstrahlungskomponente mit der Frequenz 60 000 MHz ein atmosphärischer Absorptionskoeffizient von angenähert 16 Dezibel pro Kilometer. Aus dem Absorptionskoeffizienten läßt sich die Entfernung in der Atmosphäre berechnen, über weiche von einem Sauerstoffmolekül ausgehende Strahlung in der Atmosphäre wirksam durchdringen und einen nennenswerten Beitrag zu einem von einem Radiometer gemessenen Gesamtsignal leiten kann. Einige derartige berechnete Werte sind in F i g. 2 wiedergegeben, welche eine Darstellung der Werte der effektiven Durchdringungstiefe in Kilometern in Abhängigkeit von den Werten des atmosphärischen Absorptionskoeffizienten in Dezibel pro Kilometer zeigt Die dargestellten Werte der effektiven Durchdringungstiefe gelten für Meereshöhe. Mit Bezug auf die F i g. 1 und 2 sei betont, daß 97% des von dem Radiometer gemessenen Signals mit der Frequenz von 60000 MHz (oder 60 GHz) von StellenIn Fig. 1, curves 1 and 2 respectively give the values of the atmospheric absorption coefficient for two representative heights (in the example shown for one sea level and an altitude of 8 km) for different Frequency components of the radiation emitted by the oxygen molecules. As can be seen For every known frequency component at a given level there is a certain value of the atmospheric absorption coefficient. For example, at sea level insists on the oxygen molecular radiation component with a frequency of 60,000 MHz, an atmospheric absorption coefficient of approximately 16 decibels per kilometer. From the Absorption coefficients can be used to calculate the distance in the atmosphere over soft of one Oxygen molecule emanating radiation in the atmosphere can effectively penetrate and produce a significant Contribution to an overall signal measured by a radiometer. Some such calculated Values are in FIG. 2, which is a representation of the values of the effective penetration depth in kilometers depending on the values of the atmospheric absorption coefficient in decibels per kilometer shows The values shown for the effective penetration depth apply to sea level. With reference to FIGS. 1 and 2 it should be emphasized that 97% of the signal measured by the radiometer with the Frequency of 60000 MHz (or 60 GHz) of bodies
tienten ist, der seinerseits eine bekannte Funktion der 3S mit einer Entfernung gleich oder kleiner als 1.25 km vonis a known function of the 3S with a distance equal to or less than 1.25 km from
Frequenz und der Höhe der genannten Strahlung darstellt Durch Abstimmung des Radiometers auf wählbare Frequenzen innerhalb des Bandes, in welchem von entfernten Sauerstoffmolekülen emittierte Strahlung durch dazwischenliegende Moleküle absorbiert und reemittiert wird, läßt sich der Mittelwert der !^temperatur für verschiedene Tiefen (gemessen vom Ort des Radiometers aus) bestimmen, indem man den Leistungspegel der Empfangsstrahlung bei verschiedenen Frequenzen bestimmt Die einzelnen gemessenen Leistungspegel werden in entsprechende Mittelwerte der Lufttemperatur umgewandelt, indem man die Meßwerte mit dem jeweiligen Eichkorrekturfaktor behandelnder eine bekannte Funktion der Frequenz ist, der Radiometerantenne ausgehen. Die Frequenz 60 GHz entspricht einem Absorptionskoeffizienten von angenähert 16 db/km (aus Fig. 1), und dieser Wert des Absorptionskoeffizienten 16 db/km wiederum entspricht einer effektiven Durchdringungstiefe von etwa 1,25 km (aus Fig.2). Entsprechend ist die effektive Durchdringungstiefe für Signale mit 55 GHz 5,5 km.Frequency and the amount of said radiation represents by tuning the radiometer on selectable frequencies within the band in which radiation emitted by distant oxygen molecules is absorbed and re-emitted by intermediate molecules, the mean value of Determine the temperature for different depths (measured from the location of the radiometer) by using the The power level of the received radiation at different frequencies determines the individual measured Power levels are converted into corresponding mean air temperature values by multiplying the Treating measured values with the respective calibration correction factor, which is a known function of the frequency, the radiometer antenna goes out. The frequency 60 GHz corresponds to an absorption coefficient of approximately 16 db / km (from Fig. 1), and this value of the absorption coefficient corresponds in turn to 16 db / km an effective penetration depth of about 1.25 km (from Fig. 2). The effective is accordingly Penetration depth for signals with 55 GHz 5.5 km.
Die »HelKgkeitstemperatur« Tb (d. h. der Leistungspegel der Empfangssignale), welche das Radiometer tatsächlich mißt, läßt sich in den gewünschten Mittelwert der Temperatur umwandeln, indem man den gemessenen Wert des Leistungspegels mit dem geeigneten Korrekturfaktor entsprechend der Frequenz, bei welcher die Radiometermessung vorgenom-The "light temperature" Tb (ie the power level of the received signals) which the radiometer actually measures can be converted into the desired mean value of the temperature by adding the measured value of the power level with the appropriate correction factor corresponding to the frequency at which the radiometer measurement is made.
bei welcher die jeweiligen einzelnen radiometrischen 50 men wurde, multipliziert Der so erhaltene Mittelwert Leistungspegelmessungen vorgenommen werden. Die ' " ' . · .. -t- ...» j__ 1.—:„„u„at which the respective individual radiometric 50 men were multiplied The mean value thus obtained power level measurements are made. The '"'. · .. -t- ...» j__ 1.— : "" u "
Entfernung, über welche hin diese Temperaturmessung gültig ist, erhält man, indem man den zugehörigen Wert
des atmosphärischen Absorptionskoeffizienten ermittelt, der eine bekannte Funktion der Frequenz und der
Höhe, mit welcher bzw. in welcher d'e einzelnen
radiometrischen Leistungspegelmessungen vorgenommen werden, ist
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird in der der Lufttemperatur bezieht sich auf das konische
Luftvolumen von im wesentlichen festem Scheitel- bzw. öffnungswinkel (der seinerseits durch den öffnungswinkel
bzw. die Bündelbreite der Radiometerantenne bestimmt ist) und einer solchen Länge bzw. Tiefe,
gemessen vom Ort des Radiometers aus, wie sie durch die Frequenz und Höhe, bei welcher die Radiometermessung
vorgenommen wird, bestimmt ist. Durch Änderung der Frequenz der Radiometermessungen läßtThe distance over which this temperature measurement is valid is obtained by determining the associated value of the atmospheric absorption coefficient, which is a known function of the frequency and the altitude at which individual radiometric power level measurements are made
An embodiment of the invention is that the air temperature relates to the conical air volume of an essentially fixed apex or opening angle (which in turn is determined by the opening angle or the beam width of the radiometer antenna) and such a length or depth, measured from the location of the radiometer as determined by the frequency and altitude at which the radiometer reading is taken. By changing the frequency of the radiometer readings, lets
folgenden Beschreibung anhand der Zeichnung erläu- 60 sich somit der Mittelwert der Temperatur für verschleiert;
in dieser zeigt dene Entfernungen von der Antenne in kontinuierlicher, f Fig. 1 eine graphische Darstellung mit zwei Kurven
des Verlaufs des atmosphärischen Absorptionskoeffi-The following description with reference to the drawing thus explains the mean value of the temperature for veiled; in this shows dene distances from the antenna in continuous, f Fig. 1 is a graph with two curves
the course of the atmospheric absorption coefficient
der Frequenz derthe frequency of the
SauerstoffmolekülenOxygen molecules
zienteti in Abhängigkeit von
radiometrisch vermessenen, von ausgehenden Strahlung bei Atmosphärendruck auf Seehöhe bzw. in 8 km Höhe,
Fiß.2 eine graphische Darstellung des Verlaufs der fortlaufender Weise ohne Einführung irgendeiner
körperlichen Barriere in die untersuchte Luftregion, die beispielsweise ein Sicherheitsrisiko darstellen könnte,
messen.zienteti depending on
radiometrically measured radiation from outgoing radiation at atmospheric pressure at sea level or at an altitude of 8 km,
Fig. 2 is a graphical representation of the course of the continuous way to measure without introducing any physical barrier in the examined air region, which could for example represent a security risk.
Die Antennenbündelbreite bzw. der Antennenöffnungswinkel, welcher den öffnungswinkel des von der Messung erfaßten konischen Luftvolumens bestimmt,The antenna bundle width or the antenna opening angle, which is the opening angle of the Measurement of captured conical air volume determined,
ändert sich geringfügig als Funktion der Radiometerfrequenz. Es ist jedoch erforderlich, daß das jeweilig erfaßte Volumen bei einer Änderung der Betriebsfrequenz jeweils nur in seiner Länge (bzw. Tiefe), nicht jedoch in seinem Scheitel- bzw. öffnungswinkel S beeinflußt wird. Dies läßt sich in einfacher Weise dadurch erreichen, daß man einfach jeweils jede gemessene Helligkeitstemperatur Tb mit dem Verhältnis der Frequenz, bei welcher die betreffende Messung erfolgt, zu einer vorgegebenen Standardfrequenz multipliziert. An der (unmittelbar gemessenen) Helligkeitstemperatur Tb muß noch ein zweiter Korrekturfaktor angebracht werden, im Hinblick darauf, daß die Radiometerbauteile frequenzabhängige Kenngrößen besitzen, welche die Amplitude der Messung beeinflussen. Das einfachste Verfahren zur Ausschaltung eines derartigen Frequenzgangs des Ansprechverhaltens der Apparatur besteht in einer Eichung des Radiometers. Die Eichung kann in der Weise erfolgen, daß man die Radiometerantenne durch eine breitbandige flache Rauschquelle ersetzt und bei der Durchstimmung des Radiometers über das interessierende Frequenzband auftretende Änderungen der jeweils gemessenen Helligkeitstemperatur Tb feststellt In einem Datenspeicher der Apparatur gemäß der Erfindung wird ein zusammengesetzter Eich- oder Korrekturfaktor als Funktion der Frequenz gespeichert; dieser Faktor enthält die vorsiehend erwähnten Korrekturen bezüglich der Antennen-Bündelbreite und bezüglich frequenzabhängiger Änderungen der Radiometerempfindlichkeit. Der Speicher liefert jeweils einen bestimmten Wert des Korrekturfaktors nach Maßgabe der jeweiligen Meßfrequenz, zur Korrektur der jeweils gemessenen Helligkeitstemperatur Tb. changes slightly as a function of the radiometer frequency. It is necessary, however, that the respective recorded volume is only influenced in its length (or depth), but not in its apex or opening angle S, when the operating frequency changes. This can be achieved in a simple manner by simply multiplying each measured brightness temperature Tb by the ratio of the frequency at which the relevant measurement is made to a predetermined standard frequency. A second correction factor must be applied to the (directly measured) brightness temperature Tb , in view of the fact that the radiometer components have frequency-dependent parameters which influence the amplitude of the measurement. The simplest method of eliminating such frequency response in the response of the apparatus is to calibrate the radiometer. The calibration can be carried out in such a way that the radiometer antenna is replaced by a broadband flat noise source and changes in the respective measured brightness temperature Tb are determined when the radiometer is tuned over the frequency band of interest Correction factor stored as a function of frequency; this factor contains the corrections mentioned above with regard to the antenna beam width and with regard to frequency-dependent changes in the radiometer sensitivity. The memory supplies a specific value of the correction factor in accordance with the respective measuring frequency for correcting the respective measured brightness temperature Tb.
Das Radiometersystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann ortsfest verwendet werden und hierbei zur Beobachtung der Temperaturstruktur dienen, welche durch an der ortsfesten Stelle sich vorbeibewegende Luftmassen hervorgerufen wird. Alternativ kann das System auch auf einer beweglichen Plattform verwendet werden, zur Beobachtung der Temperaturstruktur für verschiedene Eindringtiefen in die Atmosphäre, während sich die Plattform, auf welcher das Radiometer angeordnet ist, entlang der zu untersuchenden Wetterregion vorbeibewegt Mit Hilfe zusätzlicher, verhältnismäßig einfacher Computergeräte kann das System gemäß der Erfindung auf Wunsch so ausgedehnt werden, daß es umfassendere meteorologische Daten liefert wie sie unter bestimmten Umständen erwünscht sein können. Derartige Computerzusätze gehören zwar nicht zum Gegenstand der vorliegenden Erfindung und sind deshalb auch nicht in der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Apparatur gemäß der Erfindung beschrieben; eine kurze Erwähnung erscheint jedoch angezeigt, um die verhältnismäßig breite allgemeine Anwendbarkeit der von dem System gemäß der Erfindung gelieferten Temperaturmittelwert-Daten zu veranschaulichen. Beispielsweise läßt sich, indem man jeweils jeden Einzelwert der mittleren Lufttemperatur 7; speichert fo und mit einem vorhergehenden, um ein bekanntes Zeitintervall At früheren Meßergebnis vergleicht, die zeitliche Temperaturänderung ATJAt messen. Indem man das Radiometer bei zwei oder mehreren Frequenzen zur Erzielung verschiedener Eindringtiefen in die 6s Atmosphäre betreibt und die hierbei erhaltenen Beobachtungswerte der Temperatur vergleicht, läßt sich der räumliche Gradient der mittleren Temperatur ATJAS über verschiedene Eindringtiefen in di< Atmosphäre entlang der Visierlinie der Radiometeran tenne messen. Durch Betrieb des Radiometers bei dre oder mehr Frequenzen lassen sich Änderungen de: Temperaturgradienten A(ATJAS)ZAS bestimmen. In dem man den Temperaturgradienten für verschiedene Winkelstellungen der Radiometerantenne mißt und die hierbei erhaltenen Werte miteinander vergleicht, lasser sich die Richtung (Θμαχ) und der Betrag A TJASmax des maximalen Temperaturgradienten messen. Unter dei Annahme, daß die Isothermen innerhalb der Eindringtiefe parallel zueinander sind, lassen sich aus unter von Θμαχ abweichenden Winkeln vorgenommenen Beobachtungen durch entsprechende Umwandlung nähere Einzelheiten der Temperaturstruktur [ATJAh, A(ATJ Ah)IAh] längs der Richtung des maximalen Temperaturgradienten gewinnen. Mit h ist dabei in dem letzten Ausdruck die Entfernung in Richtung des maximalen Gradienten bezeichnet. Diese zuletzt erwähnte Technik ist besonders nutzbringend für Beobachtungen der vertikalen Temperaturstruktur der Atmosphäre vom Boden aus.The radiometer system according to the present invention can be used in a stationary manner and can serve to observe the temperature structure which is caused by air masses moving past the stationary point. Alternatively, the system can also be used on a movable platform to observe the temperature structure for different depths of penetration into the atmosphere, while the platform on which the radiometer is arranged moves along the weather region to be examined System according to the invention can, if desired, be expanded to provide more comprehensive meteorological data as may be desired in certain circumstances. Such computer accessories do not belong to the subject matter of the present invention and are therefore not described in the following description of a preferred embodiment of an apparatus according to the invention; however, a brief mention appears in order to illustrate the relatively broad general applicability of the temperature mean data provided by the system according to the invention. For example, by adding each individual value of the mean air temperature 7; stores fo and compares previous measurement results by a known time interval At and measures the change in temperature ATJAt over time. By operating the radiometer at two or more frequencies to achieve different penetration depths into the 6s atmosphere and comparing the observed temperature values obtained in this way, the spatial gradient of the mean temperature ATJAS can be measured over different penetration depths in the atmosphere along the line of sight of the radiometer antenna . By operating the radiometer at three or more frequencies, changes in the: temperature gradient A (ATJAS) ZAS can be determined. By measuring the temperature gradient for different angular positions of the radiometer antenna and comparing the values obtained in this way, the direction (Θμαχ) and the amount A TJASmax of the maximum temperature gradient can be measured. Assuming that the isotherms are parallel to each other within the penetration depth, more details of the temperature structure [ATJAh, A (ATJ Ah) IAh] along the direction of the maximum temperature gradient can be obtained from observations made at angles deviating from Θμαχ. In the last expression, h denotes the distance in the direction of the maximum gradient. This last-mentioned technique is particularly useful for observing the vertical temperature structure of the atmosphere from the ground.
Der Mittelwert der Lufttemperatur wird mittels der in Fig.3 im Blockschaltbild gezeigten Apparatur bestimmt. Auf seine wesentlichen Funktionen reduziert, kann die Wirkungsweise dieser Apparatur wie folgt zusammengefaßt werden: Sie empfängt Strahlungsleistung auf den interessierenden Sauerstoffmolekül-Wellenlängen; die aufgenommene Empfangsleistung wird mit einem Bezugswert verglichen und zu der Empfangs.-leistung im Gerät erzeugte Leistung hinzugefügt bis die Summe der Empfangsleistung und der zugefügten Leistung gleich dem Bezugswert ist Der Wert der Empfangsleistung wird dadurch bestimmt daß man von dem vorgegebenen Bezugswert den zur Erzielung der erwähnten Gleichheit zugefügten Betrag an im Gerät erzeugter Leistung abzieht Der gemessene Wert der Empfangsleistung wird in den entsprechenden Mittel wert der Lufttemperatur umgewandelt und zwar unter Verwendung des geeigneten, vorstehend diskutierten Korrekturfaktors nach Maßgabe der Frequenz, bei welcher die Messung erfolgtThe mean value of the air temperature is determined by means of the apparatus shown in the block diagram in FIG. Reduced to its essential functions, this device can work as follows can be summarized: It receives radiation power on the oxygen molecule wavelengths of interest; the received power received is compared with a reference value and converted to the received power The power generated in the device is added up to the sum of the received power and the added Power is equal to the reference value The value of the received power is determined by using the specified reference value is the amount added in the device to achieve the aforementioned equality generated power subtracts The measured value of the received power is in the corresponding mean value of air temperature using the appropriate one discussed above Correction factor according to the frequency at which the measurement is made
Eine Antenne 3 mit bekannter Richtcharakteristik empfängt die von den Sauerstoffmoiekülen ausgestrahlten Signale; diese werden über einen Koppler 4 einem Mikrowellen-Wählschalter 5 zugeführt Der Schalter 5 wirkt als einpoliger Schalter mit zwei Schaltstellungen und besitzt zwei Signaleingänge 6 und 7 und einen Ausgang 8; die Eingänge werden abwechselnd mit dem Ausgang verbunden, und zwar nach Maßgabe der Polarität eines auf einer Leitung 9 vom Ausgang einer Schalterantriebsquelle IO gelieferten bipolaren Audio-Frequenzsteuersignals. Auf der Leitung 6 treten zusätalich zu den Sauerstoffmolekül-Signalen auch Signale von der Rauschlampe 11 auf, welche über ein PräzisionsdämpfungsgHed 12 und den Koppler 4 zugeführt werdea Die Lampe 11 ist eine herkömmliche, geeichte Rauschquelle wie beispielsweise die im Handel befindlichen Argon-Gaslampen. Das Signal auf der Leitung 7 wird unmittelbar von einer Bezugsleistungsquelle 13 geliefert, die von ähnlicher Art wie die Lampe 11 sein kana Die Ausgangssignale des Schalters 5 auf der Leitung 8 werden über eine Trennstufe .14 einer Gegentaktmischstufe 15 zugeführt Die Mischstufe 15 ist auch mit einem Empfänger-Oszillator 16 mit veränderbarer Frequenz verbunden. Die Frequenz des Oszillators 16 wird nach Maßgabe der Frequenz eingestellt bei welcher jeweils eine bestimmte Radiometer-MessungAn antenna 3 with a known directional characteristic receives the radiation emitted by the oxygen molecules Signals; these are fed to a microwave selector switch 5 via a coupler 4 acts as a single-pole switch with two switch positions and has two signal inputs 6 and 7 and one Output 8; the inputs are alternately connected to the output according to the Polarity of a bipolar audio frequency control signal supplied on a line 9 from the output of a switch drive source IO. In addition to the oxygen molecule signals, the line 6 also occurs Signals from the noise lamp 11, which via a precision damping device 12 and the coupler 4 a The lamp 11 is a conventional, calibrated noise source such as commercially available argon gas lamps. The signal on the Line 7 is supplied directly from a reference power source 13 which is of a similar nature to the lamp 11 sein kana The output signals of the switch 5 on the line 8 are via a separator .14 a Push-pull mixer 15 supplied. The mixer 15 is also provided with a receiver oscillator 16 with changeable Frequency connected. The frequency of the oscillator 16 is set in accordance with the frequency at which each have a specific radiometer reading
gewünscht; wird. Nur solche Signalkomponenten im Ausgang der Trennstufe 14, welche sich von der Radiometer-Zwischenfrequenz um die Frequenz des Empfänger-Oszillators 16 unterscheiden, werden durch die Zwischenfrequenzverstärker 17 durchgelassen und in dem Videodetektor und -verstärker 18 nachgewiesen. Es sei betont, daß die Signale im Ausgang des Detektors 18 abwechselnd die beiden Leistungsspektren der Signale auf den beiden Eingangsleitungen 6 bzw. 7 des Schalters 5 wiedergeben. Die Alternierungsfrequen/ wird wie oben erwähnt durch das von der Schalterantriebsstufe 10 gelieferte Steuersignal bestimmt. Dieses Steuersignal wird über eine Leitung 19 auch einem Synchrondetektor 20 zugeführt, welcher die Ausgangssignale des Detektors 18 zugeführt erhält. Der Synchrondetektor 20 demoduliert abwechselnd jedes der beiden Leistungsspektren mit der Geschwindigkeit, mit welcher diese getastet werden, und kehrt dabei die Polarität eines Spektrums gegenüber dem anderen um. derart daß die beiden Spektren praktisch voneinander subtrahiert werden. Der Unterschied der Beträge der beiden Leistungsspektren wird in einer Integrationsvorrichtung 21 gemittelt, um den Rauschanteil soweit als möglich zu verringern und die Meßempfindlichkeit zu erhöhen. Das integrierte Differenzsignal wird in einem Servoverstärker 22 verstärkt und einem Stellmotor 23 zugeführt und steuert dessen Antriebsrichtung nach Maßgabe der Polarität des Differenzsignals.desired; will. Only those signal components in the output of the separation stage 14, which differ from the Radiometer intermediate frequency to distinguish the frequency of the receiver oscillator 16 are made by the intermediate frequency amplifier 17 passed and detected in the video detector and amplifier 18. It should be emphasized that the signals in the output of the detector 18 alternate between the two power spectra Reproduce signals on the two input lines 6 and 7 of switch 5. The alternation frequencies / is determined, as mentioned above, by the control signal supplied by the switch drive stage 10. This The control signal is also fed via a line 19 to a synchronous detector 20 which receives the output signals of the detector 18 is supplied. The synchronous detector 20 alternately demodulates each of the two power spectra with the speed with which they are scanned, and thereby reverses the Polarity of one spectrum versus the other. such that the two spectra are practically separate from each other be subtracted. The difference between the magnitudes of the two power spectra is in an integration device 21 averaged in order to reduce the noise component as much as possible and to increase the measurement sensitivity raise. The integrated difference signal is amplified in a servo amplifier 22 and a servomotor 23 fed and controls its drive direction in accordance with the polarity of the difference signal.
Der Stellmotor 23 verstellt das Dämpfungsglied 12 in solcher Richtung und um einen solchen Betrag, daß die Summe aus der gedämpften Rauschleistung von der Lampe 11 und der von der Antenne 3 aufgenommenen Empfangsleistung gleich der von der Bezugsleistungsquelle 13 gelieferten Leistung wird. Im Abgleichzustand wird das integrierte Differenzsignal im Ausgang der Integrationsstufe 21 zu Null und der Stellmotor 23 kommt zum Stillstand. Der Betrag der Empfangssignalleistung wird mit Hilfe eines Potentiometers 24 und einer Subtraktionsschaltung 25 bestimmt. Der Servostellmotor 23 treibt das Potentiometer 24 synchron mit dem Dämpfungsglied 12 an, derart, daß auf der Leitung 26 ein Signal erzeugt wird, das den Betrag der zu dem von der Antenne 3 aufgenommenen Empfangssignal zum Abgleich mit der Bezugsleistungsquelle 13 zugefügten Rauschleistung wiedergibt. Das Signal auf der Leitung 26 wird in der Schaltung 25 von dem die Bezugsleistung der Quelle 13 darstellenden Signal auf der Leitung 27 subtrahiert, wodurch man ein Signal auf der Leitung 28 erhält, das den Betrag der von der Antenne 3 aufgenommenen unbekannten Empfangssignalleistung darstellt.The servomotor 23 adjusts the attenuator 12 in such a direction and by such an amount that the Sum of the attenuated noise power from the lamp 11 and that recorded by the antenna 3 Received power is equal to the power delivered by the reference power source 13. In the synchronization state the integrated difference signal in the output of the integration stage 21 becomes zero and the servomotor 23 comes to a standstill. The amount of the received signal power is with the help of a potentiometer 24 and a subtraction circuit 25 is determined. The servo actuator 23 drives the potentiometer 24 synchronously the attenuator 12, in such a way that a signal is generated on the line 26 which the amount of to the Received signal picked up by the antenna 3 is added for comparison with the reference power source 13 Reproduces noise power. The signal on the line 26 is in the circuit 25 of which the Reference power of the source 13 representing the signal on the line 27 is subtracted, whereby a signal on the line 28 receives the amount of the received by the antenna 3 unknown received signal power represents.
Wie weiter oben im einzelnen auseinandergesetzt, wird der (durch das Signal auf der Leitung 28 wiedergesehene) gemessene Leistungspegel der von der Antenne 3 empfangenen Saucrstoffmolekülstrahlung dadurch in einen entsprechenden Mittelwert der Lufttemperatur umgewandelt, daß man den Meßwert mit dem zugeordneten Korrekturwert entsprechend der jeweiligen Frequenz, bei welcher die radiometrische Leisiungspegelmessung durchgeführt wird, behandelt. Diese Umwandlung erfolgt mit Hilfe einer Frequenzsteuerquelle 29. eines Analog-Digitalwandlers 30, eines adressierbaren Speichers 31. eines Wandlers bzw. Gebers 32 und eines Potentiometers 33.As explained in detail above, the (by the signal on line 28 seen) measured power level of the oxygen molecule radiation received by the antenna 3 converted into a corresponding mean value of the air temperature by taking the measured value with the assigned correction value corresponding to the respective frequency at which the radiometric Power level measurement is carried out, treated. This conversion is done with the help of a frequency control source 29. an analog-to-digital converter 30, an addressable memory 31. a converter or Encoder 32 and a potentiometer 33.
Die Frequenzsteuerung 29 liefert an ihrem Ausgang ein Steuersignal, das die Frequenz des abstimmbaren Empfangsoszillators 16 festlegt, der beispielsweise als abstimmbarer Rückwärtswellenoszillator (Karzinotron, »Backward Wave Oszillator«) ausgeführt sein kann. Das Steuersignal der Signalquelle 29 wird auch dem Analog-Digital-Umsetzer 30 zugeführt, der ein Digital-Ausg?ngssignal zur Adressierung des Speichers 31 liefert. In dem Speicher 31 sind die den jeweiligen Betriebsfrequenzen entsprechenden geeigneten Korrekturwerte gespeichert. Des weiteren sind in dem Speicher 31 auch die der Frequenz und der Höhe, bei welchen gearbeitet wird, entsprechenden geeigneten Entfernungswerte (S) gespeichert. Der Speicher 31 gibt in herkömmlicher Weise auf der Leitung 36 ein Ausgangssignal in digitaler Form ab, das den der Digitalzahl des Umsetzers 30 entsprechenden Wert des Korrekturfaktors wiedergibt; die Digitalzahl des Umsetzers 30 gibt ihrerseits wie erwähnt die Frequenz wieder, auf welche das Radiometer abgestimmt ist. Des weiteren liefert der Speicher 31 auf der Leitung 37 auch ein Ausgangssigr.al, das die der Meßfrequenz und der Druckhöhe des Radiometers entsprechende Durc.idringungstiefe (S) wiedergibt. Das den Korrekturfaktor darstellende digitale Ausgangssignal wird durch den Wandler 32 in eine äquivalente Drehstellung einer Welle 35 umgewandelt, welche den Schleifabgriff des Potentiometers 33 antreibt. Das Potentiometer 33 wird mit dem auf der Leitung 28 stehenden Signal TB erregt, welches den Leistungspegel der von der Antenne 3 empfangenen Signale wiedergibt; das Potentiometer 33 gibt auf der Ausgangsleitung 34 ein Ausgangssignal ab, das dem Produkt der Signale auf der Leitung 28 und der Welle 35 entspricht; dieses Produkt stellt den gewünschten Mittelwert der Temperatur des jeweils untersuchten Volumens der Atmosphäre dar.At its output, the frequency control 29 supplies a control signal which defines the frequency of the tunable local oscillator 16, which can be designed, for example, as a tunable backward wave oscillator (Karzinotron, “backward wave oscillator”). The control signal of the signal source 29 is also fed to the analog-digital converter 30, which supplies a digital output signal for addressing the memory 31. The appropriate correction values corresponding to the respective operating frequencies are stored in the memory 31. Furthermore, the appropriate distance values (S) corresponding to the frequency and the altitude at which work is being carried out are also stored in the memory 31. The memory 31 outputs in a conventional manner on the line 36 an output signal in digital form which reproduces the value of the correction factor corresponding to the digital number of the converter 30; As mentioned, the digital number of the converter 30 in turn reflects the frequency to which the radiometer is tuned. The memory 31 also supplies an output signal on the line 37 which reproduces the penetration depth (S) corresponding to the measuring frequency and the pressure level of the radiometer. The digital output signal representing the correction factor is converted by the converter 32 into an equivalent rotary position of a shaft 35 which drives the grinding tap of the potentiometer 33. The potentiometer 33 is excited by the signal T B on the line 28, which represents the power level of the signals received by the antenna 3; the potentiometer 33 emits an output signal on the output line 34 which corresponds to the product of the signals on the line 28 and the shaft 35; this product represents the desired mean value of the temperature of the respective volume of the atmosphere being investigated.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen 609 58516 For this purpose 2 sheets of drawings 609 58516
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